材料的电学性能1

《材料的电学性能1》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第四部分、材料的电学性能授课：付鹏QQ:54085222E-mail:fupeng@lcu.edu.cn材料的电学性能用处很多，我们一定要学会材料的导电、介电、半导体导电的机理、影响因素以及它们的测量方法并运用到实际生产中，让我们的生活更加丰富多彩。本章讲授的内容1.导电性能2.热电性能3.半导体导电性的敏感效应4.介质极化与介电常数5.电介质的介质损耗6.绝缘材料第一节导电性能本节教学内容电阻与导电的基本概念导电机理△超导电性影响材料导电性的因素导电性的测量及应用1.1电阻与导电的基本概念1.1.1电阻率1.1.2电导率显然，电阻率和电导率都不再与材料的尺寸有关，而只

2、决定于它们的性质，因此是物质的本征参数，可用来作为表征材料导电性的尺度。1.1.3根据材料导电性能好坏，可分为：导体半导体绝缘体:ρ＜10-2Ω•m:10-2Ω•m＜ρ＜1010Ω•m:ρ＞1010Ω•m不同材料的导电能力相差很大，由于它们的结构与导电本质所决定的。一、导电材料防静电台垫(地垫)导电泡棉铜母线导电胶导电材料在电脑中的应用白川英树黑格麦克迪尔米德导电高分子材料二、绝缘材料导热绝缘材料陶瓷系列插座电工绝缘胶带三、半导体材料CPU(CentralProcessingUnit)1.2导电机理△1.2.1金属及半导体的导电机理1.2.1.1经典电子理论1900年特

3、鲁德（P.Drude）首先提出用金属中自由电子的运动来解释金属导电性问题，以后洛伦兹进一步发展了特鲁德的概念，建立了金属的经典电子理论。洛仑兹1.金属导电的经典电子理论的基本框架金属中的正离子按一定的方式排列为晶格；从原子中分离出来的外层电子称为自由电子；在电场作用下，大量自由电子的定向漂移形成电流。自由电子的性质与理想气体中的分子相似，形成自由电子气；在自由电子定向运动过程中，不断与正离子碰撞，形成电阻。++++++++++++++++++++++++++++++2.金属中的离子与自由电子示意图3.金属中的自由电子在电场中的运动大量自由电子的统计平均，就是以平均定向漂

4、移速度逆着电场线漂移。当金属中有电场时，每个自由电子都因受到电场力的作用而加速，即在无规则的热运动上叠加一个定向运动。自由电子在运动过程中频繁地与晶格碰撞，碰后电子向各个方向运动的几率相等。因此可认为每个电子在相邻两次碰撞间做初速为零匀加速直线运动。4.从金属的电子理论导出欧姆定律的微分形式设导体内的恒定场强为，则电子的加速度为电子两次碰撞的时间间隔为t，上次碰撞后的初速度为，则统计平均后，初速度的平均值为零，则:平均时间间隔等于平均自由程除以平均速率:则平均漂移速度电流密度为其中，电导率为：从金属的经典电子理论导出了欧姆定律的微分形式，而且得到了电导率的表达式。从电导

5、率表达式知：电导率与自由电子的密度成正比，与电子的平均自由程成正比；还定性地说明了温度升高，电导率下降的原因。5.金属的经典电子理论的缺陷按照气体动力学，电阻率应与热力学温度的平方根成正比，但实验结果电阻率与热力学温度成正比。金属的经典电子理论的主要缺陷是把适用于宏观物体的牛顿定律应用到微观的电子运动中，并且承认能量的连续性。根据此理论，自由电子数量越多导电性应当越好，事实却是二、三价金属的价电子虽比一价金属的多，但导电性反而比一价金属的差。这一理论不能解释超导现象的产生。1.2.1.2量子自由电子理论物理学家普朗克发现，能量的传递不是连续的，而是以一个一个的能量单位传

6、递的。这种最小能量单位被称作能量子（简称量子）。在现代量子理论中，人们发现各粒子的波粒二象性，任何物体都有波动性和粒子性。而且任何物体的位置和速度都不可能同时被准确的测量，只能用概率来描述。在现代量子论中，用波粒二象性和概率波处理微观问题就是量子化。“量子理论”之父1918年获诺贝尔奖。运动着的电子作为物质波，其频率和波长与电子的运动速度或动量之间有如下关系：一价金属中自由电子的动能：E=mv2/2为常数称为波数频率。表征金属中自由电子可能具有的能量状态的参数从粒子的观点看，曲线表示自由电子的能量与速度（能量）之间的关系。从波动的观点看，曲线表示电子的能量和波数之间的关

7、系。价电子具有不同的能量状态。根据泡利不相容原理，每一个能态只能存在沿正反方向运动的一对电子，自由电子从低能态一直排到高能态，0K时电子所具有的最高能态成为费米能EF。同种金属费米能是一个定值，不同的金属费米能不同。1.费米能1.没加电场时E-K关系曲线曲线对称分布：沿正、反方向运动的电子数量相同，没有电流产生。2.电场对E-K关系曲线的影响外电场使向着其正向运动的电子能量降低，反向运动的电子能量升高。由于能量变化，使部分能量较高的电子转向电场正向运动的能级，从而使正反向运动的电子数不等，使金属导电。不是所有的电子都参与导电，而是只有处于